混凝土壩裂縫防治措施

□ 李 祝

混凝土壩裂縫防治措施

□ 李 祝

碾壓混凝土筑壩是最近20年發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。在問世之初，由于碾壓混凝土水泥用量大大減少，人們曾一度認(rèn)為碾壓混凝土不存在溫控制問題，后來經(jīng)過研究，發(fā)現(xiàn)碾壓混凝土雖具有水泥用量少、絕熱溫升較低的優(yōu)點(diǎn)，但因大量摻用粉煤灰，水化熱散發(fā)推遲，而碾壓混凝土上升速度快，因而使施工過程中層面散熱不夠。另外，碾壓混凝土的徐變較小，極限拉伸變形也略低，故抗裂能力較低。因此，碾壓混凝土同樣存在溫控問題，也較容易出現(xiàn)裂縫。就此，我們著重介紹混凝土壩體裂縫的防治措施。

一 、材料方面

與常態(tài)混凝土比較，碾壓混凝土的徐變和極限拉伸變形較小，因此抗裂能力較低。所以，只有提高碾壓混凝土這兩方面的能力，才能提高其抗裂能力。

(一)徐變。

混凝土的徐變受灰漿率、混凝土配合比、加荷齡期、水泥性質(zhì)、持荷應(yīng)力、持荷時(shí)間、骨料的彈性比與級配、結(jié)構(gòu)尺寸等多種因素的影響。一般灰漿比越大徐變越大;水膠比越大徐變越大;加荷齡期越早，徐變越大;持荷時(shí)間越長徐變越大;骨料石材的彈強(qiáng)比越小徐變越大。

(二)極限拉伸變形。

極限拉伸值是衡量混凝土抗裂性的重要指標(biāo)之一。與常態(tài)混凝土一樣，受膠凝材料用量、混凝土抗拉強(qiáng)度、混凝土的彈性模量及齡期等影響。干貧碾壓混凝土28d齡期的極限拉伸值約為40～70με，90d齡期增長不大，高粉煤灰碾壓混凝土90d齡期的極限拉伸值約60～90με。如果采用變形較大和界面效應(yīng)較好的骨料和脆性系數(shù)較小的水泥等，可使碾壓混凝土的極限拉伸值大幅度提高。

二 、選擇合適的澆注溫度

必須根據(jù)各工程的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一個(gè)比較合適的入倉溫度，以達(dá)到如下目的:一是控制壩內(nèi)溫差，從而降低基礎(chǔ)約束形成的溫度應(yīng)力，以避免壩體出現(xiàn)深層或貫穿裂縫。二是控制壩體表層的溫度梯度，減輕壩體內(nèi)部約束，從而防止產(chǎn)生表層裂縫。其最終目的就是控制三個(gè)指標(biāo)。一是基礎(chǔ)溫差;二是上下層溫差;三是內(nèi)外溫差。

（一）基礎(chǔ)溫差

基礎(chǔ)溫差是指壩塊基礎(chǔ)部位的最高溫度與相應(yīng)區(qū)域穩(wěn)定溫度之差，即

式中 ΔT--基礎(chǔ)溫差;

Tp--混凝土澆注溫度；

Tr--混凝土的水化熱溫升；

Tf--壩塊的穩(wěn)定溫度

碾壓混凝土大壩由于不設(shè)縱縫，其底寬較大，基礎(chǔ)約束的范圍也較高，在壩體內(nèi)的穩(wěn)定溫度場的溫度相差也較大，因此溫差無論在水平方向還是鉛直方向都是非均勻分布的，分均勻分布的溫差所應(yīng)起的應(yīng)力與澆筑塊的高寬比、混凝土與基巖或新老混凝土的彈性模量比、壩區(qū)氣候以及混凝土的彈性模量、熱脹系數(shù)有關(guān)。其中壩塊的高寬比越小，溫度應(yīng)力越大。

（二）上下層溫差

上下層溫差是指在長間歇老混凝土壩塊上澆筑新混凝土?xí)r，限制新老混凝土之間的溫差。目的是防止上部新澆混凝土溫度過高，降溫時(shí)受老混凝土約束而產(chǎn)生裂縫。其原因是:①長間歇老混凝土的水化作用已基本結(jié)束，內(nèi)部溫度直接受氣溫影響作周期性變化，接近甚至低于年平均氣溫;②老混凝土齡期長，彈性模量高，甚至超過基巖，對新澆混凝土降溫產(chǎn)生較大的約束。

《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:“上下層溫差系指在老混凝土面(齡期超過20d)上下各L/4范圍內(nèi)，老混凝土上層最高平均溫度與新澆混凝土開始澆筑時(shí)下層實(shí)際平均溫度之差。當(dāng)上層混凝土短間歇均勻上升的澆筑高度h大于0.5L時(shí)，上下層允許溫差約為15～20℃，澆筑塊側(cè)面長期暴露時(shí)，宜用較小值。嚴(yán)寒地區(qū)上下層溫差標(biāo)準(zhǔn)可另行研究?！北疽?guī)范只是制定了上下層溫差的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際工程中，上下層溫差往往轉(zhuǎn)換為控制新澆混凝土最高溫度。

（三）內(nèi)外溫差

溫度應(yīng)力是由溫度場的變化引起的，當(dāng)一個(gè)壩塊澆筑后，由于水化熱的變化及外界氣溫的影響，內(nèi)部溫度即不斷變化，相對于初溫，溫度場的變化可分為均勻和非線性降溫兩部分，根據(jù)疊加原理可分別考慮。但對不存在外部約束的部位，均勻降溫不會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力或可略去不計(jì)。

降溫的非線性分布，在壩體內(nèi)將引起應(yīng)力，需要加以分析和限制。它所引起的應(yīng)力的大小與非線性降溫的幅度及梯度有關(guān)，而兩者均可由壩塊內(nèi)外兩點(diǎn)的降溫之差來表示。但在初溫均勻分布的條件下，內(nèi)外兩點(diǎn)的降溫之差即等于內(nèi)外兩點(diǎn)的溫差(及內(nèi)外溫差)，在實(shí)際工程中，壩塊的內(nèi)外溫差可認(rèn)為是中心點(diǎn)和邊界點(diǎn)溫度之差。因此，壩塊的內(nèi)外溫差問題，實(shí)質(zhì)上是反映壩塊降溫的非線性分布，造成內(nèi)部約束而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力問題。

氣溫年變化及氣溫驟降都在壩塊內(nèi)形成內(nèi)外溫差。實(shí)際工程中，內(nèi)外溫差的控制理解為針對壩塊受氣溫年變化而言，不包括氣溫驟降的影響。

三 、設(shè)置誘導(dǎo)縫

誘導(dǎo)縫是碾壓混凝土大壩的一種溫控防裂措施，在很多大型水利工程中都采取了這種方法，但是在很多碾壓混凝土重力壩中，采取的是RCD施工工藝，而碾壓混凝土拱壩采取的是RCC施工工藝，它們所采取的誘導(dǎo)縫具有不同的特征。

（一）重力壩中的誘導(dǎo)縫

根據(jù)大壩仿真分析以及經(jīng)驗(yàn)顯示，在擋水壩段越冬停澆面上下游部位常因拉應(yīng)力較大而開裂，如果采取控制混凝土的澆筑溫度以及采取對混凝土進(jìn)行保溫的方法，也很難從根本上解決擋水壩段越冬停澆面上下游部位的不規(guī)則裂縫。因此采取誘導(dǎo)縫是一種簡單實(shí)用的方法?？煽紤]在擋水壩段上游的停澆面附近設(shè)置1米深的水平預(yù)留縫，內(nèi)設(shè)兩道水平止水，縫端設(shè)開口PVC管以及限裂鋼筋，下游在停澆面附近設(shè)置3米深的水平預(yù)留縫，壩內(nèi)縫端設(shè)開口PVC管。

（二）拱壩中的誘導(dǎo)縫

碾壓混凝土拱壩由于斷面較小，混凝土的升程相對較快，大量的水化熱無法在短時(shí)間內(nèi)散發(fā)掉，而且碾壓混凝土拱壩很少設(shè)橫縫，即使設(shè)橫縫，橫縫的間距也是很大，否則便不能發(fā)揮碾壓混凝土快速施工的特點(diǎn)。另外在整體式碾壓混凝土拱壩中，壩體的弧長與其厚度的比值均較大，是一長條形的結(jié)構(gòu)，從溫控角度來說，是較為不利的。由于溫降產(chǎn)生的拉應(yīng)力和碾壓混凝土干縮等很容易導(dǎo)致混凝土沿壩體最薄弱部位沿橫向產(chǎn)生裂縫，而解決這個(gè)問題的最簡單易行的辦法就是設(shè)置誘導(dǎo)縫。

（三）碾壓混凝土拱壩中誘導(dǎo)縫的位置

誘導(dǎo)縫是靠其自身對其所受拉應(yīng)力的放大來優(yōu)先使壩體在誘導(dǎo)縫處形成縫的。首先誘導(dǎo)縫必須布置在拉應(yīng)力相對較大的部位;其次該處的拉應(yīng)力乘上其應(yīng)力放大倍數(shù)，應(yīng)大于其相鄰分塊內(nèi)任何拉應(yīng)力值。計(jì)算結(jié)果表明，誘導(dǎo)縫一般應(yīng)設(shè)在拱端和拱冠附近拉應(yīng)力較大的斷面，使其在壩體應(yīng)力增大時(shí)，首先張開，可充分發(fā)揮預(yù)期的作用。但當(dāng)誘導(dǎo)縫未開裂時(shí)，由于其力學(xué)參數(shù)降低，相反增大了該部位的最大應(yīng)力。另外由于碾壓混凝土拱壩溫降歷時(shí)長，在運(yùn)行期其縫也有可能張開，因此拱壩壩中誘導(dǎo)縫不宜布置在拱端及拱冠拉剪壓應(yīng)力最大的部位，否則會(huì)破壞其約束條件導(dǎo)致拱壩應(yīng)力條件惡化。

四、 提高碾壓混凝土本體密實(shí)性

碾壓混凝土是利用碾壓機(jī)械的強(qiáng)力振動(dòng)和碾壓的共同作用，對超干硬性混凝土進(jìn)行壓實(shí)的一種混凝土施工方法。只有保證碾壓混凝土的密實(shí)，才能保證其抗拉、抗剪等與碾壓混凝土抗裂有關(guān)的性能。碾壓混凝土本體的密實(shí)性主要與混凝土的配比、VC值、混凝土的鋪料厚度以及碾壓遍數(shù)有關(guān)。

（一）碾壓混凝土本體密實(shí)性與配合比的關(guān)系

碾壓混凝土中膠凝含量越高，混凝土的和易性以及可碾性越好。但從溫控角度來看，膠凝材料以粉煤灰的摻量高為宜，另外骨料的石粉含量宜控制在11～22%，其最佳含量應(yīng)通過各工程的實(shí)際試驗(yàn)得出。

（二）碾壓混凝土本體密實(shí)性與VC值的關(guān)系

碾壓混凝土施工中要求混凝土的VC值與所用振動(dòng)碾的振動(dòng)能量相適應(yīng)。太大，振動(dòng)碾能量不足以使混凝土液化，達(dá)不到完全壓實(shí)的目的;太小，振動(dòng)碾將下沉，無法工作。

（三）碾壓混凝土本體密實(shí)性與鋪料厚度以及碾壓遍數(shù)的關(guān)系

其選擇主要是根據(jù)各施工工地的碾壓機(jī)具以及施工倉面來決定，如果碾壓設(shè)備擊實(shí)功率大，施工場地比較狹小，一般可采取50cm的碾壓厚度，如果碾壓設(shè)備擊實(shí)功率大，但是施工開闊，采取30cm的碾壓厚度就更經(jīng)濟(jì)合理一些。

五 、減少層面暴露時(shí)間

為了保證RCC壩施工層面結(jié)合質(zhì)量，應(yīng)使層面暴露時(shí)間小于初凝時(shí)間。RCC采用高效緩凝劑后在現(xiàn)場條件下，初凝時(shí)間一般會(huì)略有延遲，在施工中除了加大強(qiáng)度和減小倉面外，也可以采用RCC斜層澆筑，以較少暴露時(shí)間。

綜上所述，在對水庫日常管理過程中，除了注重對混凝土壩的日常巡視與維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題外，還應(yīng)結(jié)合各項(xiàng)工程措施，確保水利工程安全，充分發(fā)揮水利工程的作用。

哈爾濱市水務(wù)局江北水城調(diào)度中心150010 ）